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ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECATRÔNICA E DE SISTEMAS MECÂNICOS PC/104 André Luiz Zimmermann Relatório da disciplina PMR2590- Redes de Dados e Integração da Manufatura Por Computador São Paulo, Novembro de 2009. 2 Sumário INTRODUÇÃO ................................................................................................... 3 PERSPECTIVA HISTÓRICA .............................................................................. 4 MUDANÇA DE PARADIGMA ............................................................................. 6 A INTRODUÇÃO DO PC/104 ............................................................................. 7 O PC/104-PLUS ............................................................................................... 10 PC/104: ESPECIFICAÇÕES ............................................................................ 12 ESPECIFICAÇÕES MECÂNICAS .................................................................... 13 ESPECIFICAÇÕES ELÉTRICAS ..................................................................... 16 O BARRAMENTO ISA ..................................................................................... 17 ESPECIFICAÇÕES PC/104-PLUS .................................................................. 21 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................ 21 5 Figura 2: Placa ISBX multi-módulo duplo. A desvantagem do iSBX reside no fato de ele ser um padrão que permitiu apenas expansão de I/O, com a capacidade de adição de apenas uma única placa por conector. Além disso, sua popularidade foi diretamente ligada às arquiteturas Multibus I e Multibus II apresentadas na figura 3, em vez de ganhar aceitação através de um amplo espectro de computadores SBC e outras arquiteturas de barramento. Figura 3: Esquemas de cartões Multibus I e II. 6 Ele, no entanto, ganhou alguma aceitação com os fornecedores Bus STD como WinSystems, Ziatech, Pro-Log, e outros, colocando conectores SBX em seus processadores. Os módulos iSBX estão no final de seu ciclo de vida, já que novas tecnologias vêm causando sua substituição. MUDANÇA DE PARADIGMA O PC x86 fez um impacto enorme no mundo da computação que se alastrou para o mercado industrial e também para o mercado não-desktop. A arquitetura PC tornou-se o padrão dominante, que trilhou caminhos em aplicações jamais sonhadas por seus designers. A razão é que um PC embarcado pode reduzir os custos de desenvolvimento e acelerar sua chegada ao mercado. O padrão trazido pelo PC é mais que apenas definições de bus ou encapsulamento. Compatibilidade com PC significa definir todo o interior de um sistema incluindo a família da CPU, DMA, interrupções, sincronização, portas seriais, interfaces LAN, vídeo, armazenamento em disco, etc. O ponto crucial é que o PC tornou- se, solidamente, um elemento de design para uma grande variedade de aplicações. Diversos fatores de forma para PCs foram lançados, tanto no padrão SBC como nos sistemas exansíveis via bus (Bus Expandable Systems) incluindo ISA, PCI, compact PCI, placas-mãe AT, PC/104 e EBX. No entanto, todos necessitam de flexibilidade para expansão. Designers de sistemas viram os benefícios do baixo custo, de atualização simples, tamanho reduzido e flexibilidade utilizando módulos tipo mezanino. Outras opções proprietárias foram introduzidas, mas os bus expansíveis de padrão aberto acabaram por tornar-se os dominantes em sistemas embarcados. Os mais conhecidos e mais utilizados hoje são PC/104, PMC (PCI Mezzanine Card) e Industry Pack. Figura 4: Exemplo de módulo PMC. 7 A INTRODUÇÃO DO PC/104 Designers de sistemas embarcados colheram bons frutos a partir do PC. Um dos melhores exemplos é a arquitetura PC/104, cuja primeira especificação foi publicada em 1992. Suas principais características são: sistemas compactos, modulares, e compatíveis com PC, oferecendo uma variedadede funções com suporte de diversos fornecedores. Além disso, existe um Consórcio para manter e aprimorar os padrões técnicos, além de promover a visibilidade do PC/104 na indústria ao redor do mundo. O PC/104 é simplesmente uma reformulação em versão modular da arquitetura PC destinada a aplicações embarcadas onde o espaço, consumo de energia e confiabilidade são críticos. Estes módulos podem servir como expansão de bus para um SBC embarcado ou podem ser aplicados como computadores inteiros que não requerem uma backplane board, como mostra a figura 5. Figura 5: Módulo PC/104 usado como computador (esq.); e Módulo PC/104 usado como expansão para um SBC (dir.). Um módulo PC/104 é uma placa baseada em Industry Standard Architecture (ISA) bus reduzida para 3,6x3,8 polegadas (90x96 mm) que é 10 Figura 8: Ferramenta de extração criada pela Parvus. O consórcio PC/104 especifica duas versões de módulo: 8 bits e 16 bits, que correspondem ao PC e PC/AT, respectivamente. No mercado de hoje todos os projetos são de 16 bits. Contudo, existe uma procura por desempenhos cada vez maiores. O PC/104-PLUS O barramento PC/104 original teve bastante receptibilidade aplicando o padrão ISA 16 bits, no entanto, certas aplicações requerem maior capacidade de transferência. Neste contexto, o PC/104-Plus foi definido e padronizado, o que significou a migração do padrão 32 bits dos desktops para os computadores embarcados. PC/104-Plus é uma implementação do barramento PCI em uma placa “stackeável”, mantendo o fator de forma de 90x96 mm. Módulos PC/104- Plus também podem incluir os conectores originais PC/104 para garantir mais flexibilidade na configuração do sistema. O PCI foi escolhido por uma série de razões: Primeiro porque ele é o padrão “de facto” de transferências para desktops 32 bits, o que melhora significativamente a capacidade de transferência entre módulos. Segundo que o PCI é um padrão conhecido e provado, é uma arquitetura aberta, que é bem documentada e sem licenciamento de requisitos. Finalmente, o PCI é suportado pela geração atual circuitos integrados. Mesmo FPGAs tem a interface PCI disponível para licença de propriedade intelectual para projetos personalizados. A chave para o sucesso do PC/104-Plus novamente reside no esquema do conector. Um 11 terceiro conector é adicionado oposto aos conectores P1 e P2 do barramento ISA, sendo este um conector de 120 pinos em 4 colunas de 30 pinos “self- stacking” (ao contrário dos 124 pinos com conector de borda em um PCI 32-bit padrão), como mostra a figura 9. Figura 9: Detalhe mostrando os barramento ISA 16 bits e PCI, no PC/104. Uma proteção ao redor dos pinos machos do conector servem também como guia para o próximo conector na pilha e mantém o espaçamento entre os módulos em 0.6”, como se observa na figura 10. Figura 10: Conector PCI PC/104 inferior (macho.) O conector PCI do PC/104-Plus encontra-se entre dois dos furos de montagem. Em muitos stacks o barramento PCI geralmente se conecta ao circuito do módulo enquanto os conectores P1 e P2 PC/104 passam o barramento ISA para o próximo módulo. A real transferência de dados para o barramento PCI é pelo menos uma ordem de grandeza maior que no barramento ISA. Tal como acontece com PC/104, diversos fornecedores incluíram conectores PC/104- Plus em seus SBCs e BEB (Bus Expandable Boards). Há placas disponíveis para vídeo, áudio, rede, DSP, e controle de movimento. 12 A aceitação do PC/104-Plus não foi tão rápida quanto à do PC/104 original. As razões são determinadas pelo mercado e suas aplicações. O maior mercado para PC/104 é de Equipamentos Industriais, Automação e Instrumentação. Muitas aplicações industriais simplesmente não precisam do custo, complexidade e desempenho adicionais do PCI para ler um interruptor, controlar um relê ou executar alguma outra tarefa simples. No entanto, quando tarefas mais complexas, tais como visão por computador, gráficos complexos, vídeo full-motion, LANs de alta velocidade, ou aquisição de dados high-end são necessários, então o PC/104-Plus pode ser a solução. Embora não haja uma tecnologia única que se adapta a todas as necessidades da indústria de sistemas embarcados, o PC/104 preenche a maioria dos requisitos de aplicações de média a alta performance. Sua popularidade decorre principalmente duas características: compatibilidade com PC e flexibilidade mecânica. O PC/104 é uma versão miniaturizada do PC para aplicações embarcadas, a única grande mudança está em suas dimensões. É um padrão mundial que é pequeno, modular, expansível e de custo baixo e que permite a um designer alavancar seus recursos para chegar ao mercado rapidamente. Produto para upgrades e outras opções abundam prontos ou feitos sob encomenda. Graças à Arquitetura de PC, é possível ganhar as vantagens de usar o padrão PC sem sacrificar a flexibilidade, confiabilidade, robustez e qualidade exigida para sistemas embarcados. PC/104: ESPECIFICAÇÕES Primeiramente, segundo a norma, equipamentos PC/104 podem obedecer dois níveis de conformidade: 1. PC/104 Compliant: Indica que o equipamento está em total conformidade com os requisitos da norma, incluindo todas as especificações elétricas e mecânicas. 2. PC/104 Bus-Compatible: Indica que o equipamento atende a todas as especificações elétricas e mecânicas do conector PC/104 (Barramento ISA), porém não atende aos requisitos espaciais da norma (fator de forma e/ou outras dimensões) 15 Figura 13: Especificação dos conectores para os barramentos ISA de 8 e 16 bits; Fonte:[1]. A figura 14 mostra a especificação dos suportes de fixação (standoffs) usados na interconexão dos módulos. Figura 14: Dimensões do Standoff; Fonte:[1]. Os suportes (standoffs) devem ser feitos, preferencialmente, de aço inox, para uma melhor resistência a esforços, podendo, no entanto, ser confeccionados em outros materiais. A figura 15 mostra uma configuração possível de stack com três módulos PC/104, sendo um de 8 bits e dois de 16 bits. O módulo de 8 bits deve ficar numa das periferias para não interromper as conexões do conector P2. 16 Figura 15: Esquema de configuração possível com 3 módulos; Fonte:[1]. ESPECIFICAÇÕES ELÉTRICAS Para atender os requisitos de energia a norma estipula que cada módulo tenha um consumo de cerca de 1W-2W, limitando a corrente em cada sinal do bus a 4mA. As especificações de alimentação via bus são apresentadas na tabela 1, sendo todas as voltagens com tolerância de +-5%. Tabela 1: Especificações elétricas de alimentação; Fonte:[1]. 17 O BARRAMENTO ISA Parte 1 - Porção A/B Sinal Nome Pino E/S Descrição A0-A19 A0-A19 A31 a A12 S Barramento de endereços (sinal A0 pino A31, sinal A19 pino A12). AEN Address Enable A11 S Quando ativo, este sinal indica que a operação executada no barramento é de DMA. Devemos utilizar este sinal em nossos protótipos de modo que o decodificador não capture um dado erroneamente durante uma operação de DMA do micro. ALE Address Latch Enable A11 S Indica que há um endereço válido no barramento de endereços. Não é ativado durante operações de DMA. 7CLK Clock B20 S Clock do barramento ISA, de 8 MHz. Ele não é simétrico, apresentando um ciclo de carga de 33%, ou seja, 1/3 em nível alto e 2/3 em nível baixo. D0-D7 D0-D7 A9 a A2 E/S Barramento de dados (D0 pino A9, D7 pino A2). /DACK1 DMA Acknowledge 1 B17 S Indica que o pedido de DMA 1 foi aceito e que o controlador de interrupção irá iniciá-lo. /DACK2 DMA Acknowledge 2 B26 S Indica que o pedido de DMA 2 foi aceito e que o controlador de interrupção irá iniciá-lo. /DACK3 DMA Acknowledge 3 B15 S Indica que o pedido de DMA 3 foi aceito e que o controlador de interrupção irá iniciá-lo. DRQ1 DMA Request 1 B18 E Faz um pedido de DMA nível 1 ao controlador de DMA. DRQ2 DMA Request 2 B6 E Faz um pedido de DMA nível 2 ao controlador de DMA. DRQ3 DMA Request 3 B16 E Faz um pedido de DMA nível 3 ao controlador de DMA. /I/O CH CK I/O Channel Check A1 E Ativando este sinal, gera-se uma interrupção não-mascarável (NMI). É ativado em situações de erro, como erro de paridade (Obs: este sinal deve ser utilizado com um circuito de coletor aberto). /I/O CH RDY I/O Channel Ready A10 E Gera wait states para operações de I/O ou de memória. Se o circuito necessitar de wait states, basta ativar esta linha após a decodificação do endereço e 20 IRQ12 Interrupt Request 12 D5 E Faz um pedido de interrupção nível 12 ao controlador de interrupções. IRQ14 Interrupt Request 14 D7 E Faz um pedido de interrupção nível 14 ao controlador de interrupções. IRQ15 Interrupt Request 15 D6 E Faz um pedido de interrupção nível 15 ao controlador de interrupções. /MASTER Master D17 E Este sinal é ativado quando queremos que algum outro dispositivo assuma o controle do barramento (bus master). Deve ser acionado em conjunto com o sinal DRQ. Quando o sinal /DACK correspondente for devolvido, todos os circuitos conectados ao barramento são colocados em tri-state, permitindo que o dispositivo manipule o barramento como bem entender. O novo mestre de barramento deverá obedecer aos sinais de temporização e devolver o controle no máximo em 15  s. /MEMCS16 Memory Chip Select 16 bits D1 E Indica que haverá uma transferência de 16 bits no barramento de dados, utilizando endereçamento em memória (Obs: este sinal deve ser utilizado com um circuito de coletor aberto). /MEMR Memory Read C9 S É ativado quando é feita uma leitura em uma posição de memória acima de 1 MB. /MEMW Memory Write C10 S É ativado quando é feita uma escrita em uma posição de memória acima de 1 MB. SBHE System Bus High Enable C1 S Indica que a transferência de dados utilizará a parte alta do barramento de dados (D8-D15). Este sinal e A0 são decodificados para informar que tipo de transferência será efetuada (vide tabela). +5V +5V D16 +5 V Sinais precedidos do símbolo "/" são ativados em nível "0". SBHE A0 Função 1 0 Transferência de 16 bits 1 1 Transferência do byte alto 0 0 Transferência do byte baixo 0 1 Inválido 21 Tabela 2: Atribuições de sinal no barramento ISA-PC/104. ESPECIFICAÇÕES PC/104-PLUS Detalhamentos técnicos sobre o padrão PC/104-Plus e sobre o barramento PCI podem ser encontrados na norma PC/104-PLUS SPECIFICATION, VERSION 2.3, PC/104 EMBEDDED CONSORTIUM. BIBLIOGRAFIA [1] PC/104 Specification, Version 2.6, PC/104 Embedded Consortium.Em: www.pc104.org, 13/11/09. [2] PC/104: The Embedded PC mezzanine, Robert A. Burckle. 2002. [3] An Advanced Course on PC/104, Jim Blazer. 2007.